彈載微帶天線的有源對消分析及實驗研究

鞠昊宸，莫錦軍

（1.中南大學航空航天學院，湖南長沙，410083；2.桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林,541004）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達是探測目標最主要的技術(shù)手段之一，所以當前的隱身技術(shù)研究將以目標的雷達特征信號控制為重點：當采用一定的方法和手段，有效地降低探測雷達的接收功率、減小雷達對目標的最大作用距離，隱身技術(shù)得以實現(xiàn)，也就是說達到目標對探測雷達隱身的目的[1]。

現(xiàn)代雷達的電磁隱身技術(shù)包括無源隱身和有源隱身技術(shù)兩大類[2]。無源隱身技術(shù)主要包括整形法、涂敷吸波材料（RAM）等方法，它發(fā)展迅速，效果顯著。但是隨著低頻雷達（如米波雷達）在電子信息戰(zhàn)中越來越廣泛的應用，無源隱身技術(shù)開始出現(xiàn)難以解決的問題：比如吸波材料無法完全吸收掉低頻雷達信號，吸波材料和吸波涂料價格過于昂貴等等。

與此同時，隨著雷達相控技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有源隱身技術(shù)逐步映入人們的視野當中。有源隱身在解決低頻雷達探測問題中有著巨大的優(yōu)勢，它幾乎能適應任何形狀的被保護目標[3]，例如艦船、航空器、航天器等，其使用不涉及平臺外形和結(jié)構(gòu)的變動，特別適合對現(xiàn)有平臺進行加裝和運載，同時有源隱身技術(shù)被期待著具有功率較小，性比價高等優(yōu)點的良好應用前景。

本文針對P波段（420Hz—450Hz）的彈頭目標的隱身需求，以及微帶天線本身低剖面易小型化易共形的特點，設計了一種共形于錐形彈頭的微帶共形天線模型，通過天線發(fā)射波與彈頭散射波的相干疊加進行主動對消仿真，在此基礎(chǔ)上開展降低彈頭側(cè)面RCS達到隱身效果的研究。

1 有源對消的基本原理

雷達對目標的探測是建立在目標的電磁散射特性的基礎(chǔ)上的。雷達反射截面（RCS）就是對目標在一定方向上反射的功率與入射的功率密度進行歸一化處理后得出的度量，這就決定了雷達反射截面的大小與雷達到目標的距離無關(guān)。雷達反射截面的數(shù)學表達式為[4]

從理論來看，目標在不同方向上的RCS數(shù)值可以通過測量精準的得到，而雷達入射場可以由平臺上的傳感器測得，這樣可以將公式（1）適當推導，得到目標在探測雷達方向上的散射場，為：

由此可知，在雷達方向上與散射場相同振幅頻率相反相位的場總是可以產(chǎn)生出來的。有源對消隱身技術(shù)的理論基礎(chǔ)得以成立[5]。

對消式有源隱身的原理為：需要保護的目標上裝載的有源設備也就是對消裝置，在接到探測雷達的入射波信號時，實時的主動生成并發(fā)射一個對消波，這個對消波和目標自身實際的散射回波在空間中相互抵消，使得探測雷達的接收天線接收不到回波信號，從而實現(xiàn)被保護目標對探測雷達的隱身目的。其中，主動發(fā)射的對消波，要求和目標在該入射方向上的散射回波有相同的頻率、幅度同時還有相反的相位[6]。原理圖如圖1所示。

圖1 有源隱身原理框圖

2 有源對消實驗模型設計

2.1 彈頭目標模型建立

設計合適的天線安裝在錐形彈頭的合適位置，通過天線發(fā)射波與錐形彈頭散射波的相干迭加，獲得錐形彈頭側(cè)面RCS下降10dB以上的隱身效果。取雷達中心頻率435MHz，錐形彈頭長約1.7米，底半徑0.25米。圖2為錐形彈頭的三維模型。采用矩量法計算其在435MHz平面波照射下的單站RCS，結(jié)果如圖3所示。將入射角垂直于錐面的方向設為0度角，直觀起見，此角度形成了一個強散射峰。

圖2 錐形彈頭模型示意圖

圖3 平面波激勵的彈頭單站RCS

2.2 天線—目標結(jié)合體模型建立

為實現(xiàn)錐體側(cè)面散射的對消，設計微帶天線與彈頭相結(jié)合的組合體，如圖4所示。因為目標是旋轉(zhuǎn)對稱體，且考慮微帶天線的波束寬度在90-120度之間，可用4個天線實現(xiàn)四周空域的全履蓋。因為P波段的頻率較低，天線與目標結(jié)合后會因耦合而產(chǎn)生方向圖畸變，增大了彈頭方向和側(cè)向的強散射。方向圖畸變?nèi)鐖D5所示。

圖4 微帶天線—彈頭組合體

圖5 矩形微帶天線組合體方向圖

為此設計了一種與錐形彈頭共形的微帶天線，如圖6所示。在不明顯影響彈頭側(cè)向散射的情況下，進行有源對消隱身實驗。圖7是共形微帶天線與彈頭結(jié)合后的方向圖，圖8為其增益。為方便分析和驗證有源對消原理及效果，先將1個微帶共形天線與目標結(jié)合，進行仿真實驗驗證。

圖6 微帶共形天線方向圖

圖7 微帶共形天線與彈頭結(jié)合體方向圖

圖8 微帶共形天線增益

3 有源對消效果的仿真分析

本文設置了平面波源和微帶共形天線原有的端口源一起構(gòu)成雙激勵。先后計算在單位幅度和0相位激勵情況下，平面波源和端口源單獨生效的輻射場。根據(jù)輻射場的計算結(jié)果，調(diào)整微帶天線端口源的幅度，以及相位，同時生效平面波源和端口源的激勵，通過計算，得到目標對消的后向散射方向的RCS，驗證對消效果。

3.1 垂直入射

圖9為平面波源從0度方向垂直入射天線目標結(jié)合體所得到的對消后目標3D雙站RCS，可以看出在入射波方向達到零陷，對消效果顯著。圖10為0度垂直入射的有源對消前后的目標RCS對比圖，可以非常直觀的看到在入射方向上，基于有源對消原理的隱身效果收效甚好。

圖9 垂直入射對消后的目標雙站RCS

圖10 0°對消前后的RCS對比

3.2 斜入射仿真分析

圖11給出不同的平面波入射方向所對應的后向散射RCS，圖形為方位角φ為0°時，入射角θ分別對應為：2°，4°，6°，8°，10°和12°。黑色實線代表有源對消前，組合體目標的RCS，紅色虛線代表有源對消之后的目標體的RCS，通過計算得到。相應入射角度RCS分別降低83dB，79dB，95dB，87dB，85dB和75dB?？梢钥闯鼋?jīng)過微帶天線的在特定方向的主動對消，對消效果顯著，與此同時，也沒有明顯增大共形天線和彈頭結(jié)合體在其他角度的RCS。

圖11 不同入射角下的目標RCS

4 結(jié)論

本文基于彈頭目標的設計需求，設計了可以共形于彈頭表面的微帶天線，并針對錐形彈頭與天線的組合體模型進行了有源對消的仿真，仿真實驗結(jié)果表明在給定方向上微帶天線的主動對消效果顯著，使得在入射方向上，目標側(cè)向RCS平均下降85.8dB，大大超過實驗預期。同時根據(jù)結(jié)果可知，在其他散射方向上目標的RCS沒有顯著增大，為彈頭安裝天線實行有源對消的實驗項目增加了理論基礎(chǔ)。